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Master M1: module optique solaire

Carte d’identité de l’étoile Soleil

CARTE D’IDENTITE DU SOLEIL

UNE ETOILE BANALE PARMI LES 200 MILLIARDS DE LA

GALAXIE

Quelques constantes solaires

MS = 2 1030 kg masse solaireRS = 696 000 km rayon solairegS = 275 m/s² accélération de la pesanteur à la surface solaireL = 3.86 1026 W luminosité solaire (luminosité d’1 m² : 6.3 107 W)1 UA = 149 600 000 km distance moyenne Terre/SoleilTe = 5750 K température effectiveComposition : H 92.1% et He 7.8%, autres éléments (O, C, N, Fe, Mg, Ca…) en trace (0.1%)Rotation : 26 jours à l’équateur, 31 jours aux pôles, inclinaison de 6° sur l’écliptique

Photosphère solaire : 0 500 km d’altitude

Pression moyenne P = 103 Pa et variation de 0 à 500 km : 1.3 104 Pa 102 PaT moyenne = 5000 K et variation de 0 à 500 km : 6400 K 4170 KDensité moyenne NH = 1022 m-3 ; variation de ρ de 0 à 500 km : 3 10-4 kg m-3 3 10-6 kg m-3

Densité moyenne Ne = 1019 m-3 et variation de 0 à 500 km : 5 1019 m-3 1017 m-3

Chromosphère solaire : 500 km 2000 km d’altitude

Pression moyenne P = 1 Pa et variation de 500 à 2000 km : 102 Pa 10-2 PaT moyenne = 8000 K et variation de 500 à 2000 km : 4170 K 10000 KDensité moyenne NH = 1019 m-3 ; variation de ρ de 500 à 2000 km : 3 10-6 kg m-3 1.8 10-10 kg m-3

Densité moyenne Ne = 1017 m-3 et variation de 500 à 2000 km : 1017 m-3 4 1016 m-3

Couronne solaire : 2000 km milieu interplanétaire

Conductivité électrique σ = 10-3 T3/2 MKSA, T en Kelvins Conductivité thermique k// = 10-11 T5/2 MKSA, T en Kelvins

- Basse couronne typique: totalement ioniséenp = ne = 5 1014 m-3 T = 1.5 106 K P = 2 10-4 Pa ρ = 10-12 kg m-3

- à 1 rayon solaire :np = ne = 1012 m-3 T = 1.5 106 K P = 4 10-7 Pa ρ = 2 10-15 kg m-3

- à 1 UA (orbite terrestre):np = ne = 107 m-3 Tp = 4 104 K Te = 1.5 105 K ρ = 10-20 kg m-3

vitesse du vent solaire à la Terre: 400 km/s en moyenne

- milieu interplanétaire à grande distance: np = ne = 106 m-3

Quelques constantes universelles

C = 3 108 m/s vitesse de la lumière dans le vide e = 1.6 10-19 C charge de l’électronme = 9.1 10-31 kg masse de l’électron mp = 1.67 10-27 kg masse du protonh = 6.62 10-34 MKSA constante de Planckk = 1.38 10-23 MKSA constante de Boltzmannμ0 = 4 π 10-7 MKSA perméabilité magnétique du videG = 6.67 10-11 MKSA constante gravitationnelle1/(4 π ε0) = 9 109 MKSA, ε0 permittivité du vide

TEMPERATURE

LE SOLEIL

STRUCTURE INTERNE ET HELIOSISMOLOGIE

Diagramme ω - k des modes de vibration de la surface solaire

Vitesse de rotation du soleil en fonction de la latitude et de la profondeur

rapide

lent

solide

LE SOLEIL

PRESENTATION GENERALE DES PHENOMENES DONT SON ATMOSHERE EST LE

SIEGE: filaments, protubérances, taches, éruptions

MEUDON

H alpha

Chromosphère

8000 K

Filaments = structures en absorptionsur le disque suspendues dans la couronne contre la gravité ρg par la force de Laplace F = j ΛB

∆λ=0.25 Å

MEUDON CaII K

Protubérances

et chromosphère

Protubérances

= filaments sur le disque en émission

∆λ=0.15 Å

LES FILAMENTS ETLES PROTUBERANCES

structures magnétiques soutenues par les champs magnétiques

contre la gravité solaire (275 m/s²)

P=mg

F=i l B

Hα

UV

MEUDONCaII K

Photosphère

6000 K

Les taches sont des régions fortement

magnétisées(B voisin de 0.1 T)

Sens de rotation (26 jours à l’équateur, 31 aux pôles)

∆λ=0.15 Å

1991-1999: Solar A (Yohkoh) observe le cycle solaire en rayons X

1979: TRC Lyman alpha 121.6 nm (20000K)

le soleil en UV et X

1996-2009: SOHOFeXII 19.5 nm (1.4 106K)

LE SOLEIL

MANIFESTATIONS DU MAGNETISME,

INSTABILITES D’ORIGINE MAGNETIQUE

George Hale (1868-1938) découvre la nature magnétique des taches (1908) et le cycle de 22 ans (1919) en y observant l’effet Zeeman

Les raies spectrales se divisent en fonction de

l’orientation du vecteur B.

Fente d’analyse

longueur d’onde

Nord SudNord Sud

Sud Nord

Sud Nord

Champ polaire difficile à mesurer (très faible, 1 G mesure de la projection sur la ligne de visée seulement, pôles peu visibles)

1000 G

effet ZEEMAN

SDO NASA

Vitesse Doppler (projetée sur la ligne de visée) dérivée du décalageDoppler ∆λ sur les raies

V// = C ∆λ/λ

SDO NASA

Champ magnétique (projeté sur la ligne de visée) obtenu à partir de l’écartement∆λB

Zeeman sur la raie FeI 6173

B// proportionnel à ∆λB

Mesure des champs magnétiques vectoriels

À partir de la polarisation circulaire et linéaire par effet Zeeman

Télescope THEMIS INSU/CNRS

La haute résolution spatiale

Ici en bande CH à 430 nm

0.15’’

0.15’’

Polarisation circulaire par effet Zeeman

Magnéto dynamique de la surface solaire à haute résolution spatiale – satellite HINODE

Champ magnétique et vitesses horizontales

Champ magnétique durant 7 jours (1 pixel = 0.16 arc sec)

TRACE 1999 et l’imagerie des

champs magnétiques dans

la couronne

ERUPTIONS SOLAIRES

Satellite SDO NASA 2010

EUV

100000 K à 10 millions de K

SDO NASA éruption solaire observée dans le continu UV et dans une raie du Fer à 1 million de degrés – noter les impacts sur la

chromosphère de la matière projetée par l’éruption à grande distance

Les éjections de masse coronale

suite à une éruptionou à une instabilité d’un

filament(Observation SOHO/ESA-

NASA, coronographe spatial LASCO)

1996: SOHO au point de Lagrange L1 – La

COURONNE SOLAIRE

LE SOLEIL

CYCLICITE, VARIABILITE

1890: Gustav Spörer (1822-1895) et Edward Maunder (1851-1928) découvrent le minimum prolongé de 1645-1705

« C’est la 3ème tache qui a paru en cette année 1676, dans laquelle elles ont été plus fréquentes qu’elles n’avoient été pendant 20 années précédentes… Elle fut aperçue par Monsieur Picard en prenant la hauteur du Soleil pour la rectification des horloges le matin du trentième d’Octobre… »

J.-D. Cassini, archives de l’Académie

variation de l’irradiance

(données satellite) et du diamètre solaire (sol) en

fonction du cycle solaire

Irradiance

Activité solaire

WILCOX champ magnétique intégré(0 à 0.3 G)

Taches

Taches

WILCOX champ magnétique polaire

Cycle 21 22 23 24

Cycle 21 22 23 24

Inversion du champ polaire au maximum d’activité solaire

Champ polaire fort au

minimum d’activité solaire

N

S

Jean-Marie Malherbe – Inversions du champ magnétique solaire: observations – Académie des Sciences – 19 Juin 2012

Kitt Peak + SOLIS (3 cycles)

Mt Wilson

Annihilation (rot diff)

min max min max min max min

Émergence taches

Émergence taches

Circ mérid

Circ mérid

Flux~1022 Mx B~1 G

Au maximum

Flux~1025 Mx B~1000 G

2) Amplification du champ

3) Émergence du champ

Inversion polaire

1) minimum solaire

Modèle dynamo qualitatif de

Babcock Leighton

4) maximum solaire

+ +

+

- -

-

annihilationreconnexion

Rotation différentielle

Effet α (B toroïdalB poloïdal)

+-

+-

Champ dipolaire

Inversion polaire

Effet Ω (B poloïdalB toroïdal)

Émergence des taches et

mouvements anticycloniques (horaire au N,

antihoraire au S) liés à la force de

Coriolis

B

B

INSTRUMENTS AU SOL

Actuels: Sac Peak, Kitt Peak, Big Bear (USA), Canaries

Prochaine décennie: ATST (USA), EST (Europe)

DANS L’ESPACE

Actuellement: satellites SDO (NASA), Solar B (JAXA)

prochaine décennie: Solar C (JAXA), Solar Orbiter (ESA), Solar Probe (NASA)

European Solar Telescope (> 2020)